小區域景觀的三維可視化

王 猛，田 豐

(中國礦業大學江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇徐州221116)

小區域景觀的三維可視化

王 猛，田 豐

(中國礦業大學江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇徐州221116)

現實世界的復雜性決定了其在計算機中表達的復雜性，三維模型的構建成為3DGIS中亟待解決的一個核心問題。探討了三維建模思想以及建模方法，并以ArcGIS和SketchUp交互建模方法為例，論述了三維建模流程以及注意事項，通過模型庫的構建，提高了該方法在小區域內景觀的三維快速構建效率，所得的模型為3DGIS提供了數據源。實踐表明，在有限的經濟、技術等條件下，該方法具有較強的可行性和實用性。

三維地理信息系統；小區域；建模；可視化

隨著“數字地球”、“數字城市”等工程的相繼啟動以及GIS應用的深入，人們越來越多地要求在真三維空間來處理問題，工作的重點和研究范圍開始轉向較小的領域，如礦山、地質、石油等，小區域的三維可視化已成為數字化領域中一個重要的研究方面。它給人們一種全新的工作生活理念，幫助人們更好地建立起全局觀念與模擬直觀感，為相關領導和管理部門對區域規劃、建設、管理的問題決策，提供準確的信息支撐及直觀、真實的可視化和互動操作環境[1,2]。3DGIS所要表達的現實世界是一個真三維的幾何空間，需要更為直觀的空間信息展示，但GIS本身在三維數據建模及可視化等方面功能相對薄弱，這決定了其無法直接對復雜現實世界的三維可視化。本文針對3DGIS中數據問題，以小區域為研究范圍，探討了運用ArcGIS和SketchUp實現三維模型快速構建的方法。

1 三維建模的原理

1.1 三維建模思想

圖1是三維模型構建的過程。顯然，現實世界僅是三維可視化的邏輯對象，概念模型才是三維可視化的實體對象。三維模型的任務是客觀準確地記錄和恢復概念模型，而概念模型取決于人們對現實世界的認識和抽象，人們對現實世界的抽象程度在一定程度上決定了三維建模的方式以及三維模型的逼真程度。因此，三維模型在表達現實世界時應根據實際應用需要和有限的時間、經濟、技術等條件進行相應的綜合取舍與簡化，而無需全部逼真表達[3]。所建立的三維模型應該在表達現實世界特征的前提下，簡化不必要的細節信息，保留甚至夸大最能代表地物顯著特征的部分，以滿足實際應用的需要[4]。

圖1 三維模型構建過程

1.2 三維可視化方法

早期人們將遙感影像與DEM疊加生成三維地形景觀，這種方法構造的區域景觀缺乏立體感。隨后，人們在2DGIS基礎之上另外添加一些高度信息，按照高度拉伸來構建三維模型。這樣可以方便地構建大范圍簡易的三維建筑模型，但這類模型難以表達復雜的景觀實體，模型真實感少。目前部分學者研究利用三維建模工具等方法對景觀實體進行建模，模型具有較強的真實感，因而更接近3DGIS中所需要的三維數據模型。

目前的三維建模方法主要集中在：從遙感影像中自動提取建筑物，直接對建筑物或表面進行建模；基于車載、機載等三維激光掃描系統三維重建；基于Direct3D、OpenGL、ArcGIS Engine等結合開發工具以編程的方式進行三維重建；利用三維模型可視化工具3DMax、MultiGen Creator、Skyline、AutoCAD 以及Google SketchUp等進行三維重建。根據遙感影像直接建模適合大區域三維重建，但其模型質量差；三維激光掃描系統儀器昂貴，且其后期數據處理復雜；開發的方式建模其算法實現復雜，不能有效地構建復雜建筑物；利用三維建模工具可以實現逼真的三維建模，但其數據量不宜過大。

在小區域中，除了精細的三維可視化外，還需要具有相應的空間分析功能，而 ArcGIS平臺在傳統的GIS領域占有相當的市場份額，如果用SketchUp進行三維精細建模，將模型存儲于Geodatabase，采用ArcGIS平臺進行可視化與空間分析，將無疑具有較大的優勢[5]。

2 數據獲取與模型庫的構建

2.1 三維建模數據獲取

在小區域中要進行 3D描述的主要是建筑物、地形、植被、道路、獨立地物等，所需要的數據獲取主要分為：三維地形的獲取、幾何數據的獲取和紋理數據的獲取。

1）三維地形數據即數字高程模型（DEM），一般從現有的地圖資料或通過實地測量的方式獲取高程點、等高線、斷線等，使用TIN、ANUDEM等方法生成三維地形。

2）幾何數據包括建筑物、道路等地表平面的輪廓線、獨立地物位置以及建筑物高度。平面數據可以從航空影像或高分辨率遙感影像中數字化獲取，也可以利用現有的地圖數據或傳統測繪手段獲取。在 2DGIS的建筑物專題信息數據庫中就包含建筑物高度或樓層信息，也可到實地考察獲取建筑物高度。

3）為了更真實地表達具有真實感的三維景觀，需要獲取模型的紋理數據。紋理數據的獲取包括頂部紋理和側面紋理2個部分的獲取。頂部的紋理數據可以由航空影像或高分辨率遙感影像直接獲取，方便而且快捷；側面的紋理數據由相機拍攝大量的地物側面照片中獲取，其優點是所建模型真實感強。

2.2 模型庫的構建

建模區域許多景觀局部大小相似或景觀的區別僅僅在于幾何位置的差異，通過構建景觀模型庫，能夠減少重復的建模工作量，有效提高工作效率。

小區域景觀模型庫主要可分為2大類：模型庫和紋理庫。模型庫包括建筑物特征庫和獨立地物模型庫，建筑物特征模型庫包括門、窗戶等；獨立地物模型庫包括具有相同的外型的路燈、電話亭、樹等。紋理庫包括瓷磚、植被、水體、瀝青、混凝土等。模型庫中的特征模型和地物模型采用SketchUp軟件完成，紋理庫中的紋理原始圖片在 Photoshop軟件中經糾正、裁切、修補等操作，最后入庫存儲，為后續快速建模奠定基礎[6]。

3 基于ArcGIS和SketchUp的三維建模與可視化

使用ArcGIS和SketchUp所建立的三維模型，與3ds、flt、vrl等格式模型通過三維標注符號顯示在地圖數據上不同，在ArcGIS中，它擁有正確的平面坐標系統和高程坐標系統，能夠保證二、三維數據的一致性，能夠和DEM、遙感影像等數據協同工作。

3.1 三維建模流程

地形數據和幾何數據實質是空間定位數據的采集，紋理數據與映射主要用于提供逼真的視覺標識，三維模型是紋理數據和屬性數據的載體[7]。利用 SketchUp和ArcGIS進行小區域三維建模其流程如圖2所示。首先在 ArcMap中對二維數據進行拓撲處理，利用高程點、等高線等生成DEM，添加正確的坐標系統；利用SketchUp 6GISPlug-In插件將二維數據導入到SketchUp中；紋理數據利用Photoshop軟件進行圖片處理，形成高質量的紋理數據，利用導入的數據和紋理數據在SketchUp中共同進行三維建模；最后，在將模型導出到MultiPatch格式的地理空間數據庫的過程中，添加屬性，在ArcScene或ArcGlobe中進行三維可視化。

圖2 三維建模流程

3.2 SketchUp三維建模

SketchUp建模之所以靈活和高效，一方面是由于它對面和體的建模和編輯的簡便性，另一方面是它能夠充分利用系統本身自帶的模型庫以及制作的模型庫。

1）點狀對象建模。點狀對象多為行樹、路燈、公用電話、垃圾筒等獨立地物，使用提前制作的模型庫中的模型，根據點的位置匹配，平面坐標決定其的平面位置，高度、角度控制其比例因子和旋轉因子。

2）線狀對象建模。線狀對象主要包括三維管道等的建模。在 SketchUp軟件中，根據線狀對象起始點、斷面形狀、高度等信息，以拉伸的方式進行三維建模，并填充相應的紋理。

3）面狀對象建模。面狀對象包括建筑物、草坪、道路、河流等，這類對象表現豐富，進行建模的難點也最大。對于草坪、道路、河流等的建模，根據建模底圖形成封閉的面，填充相應的紋理即可；對建筑物的建模，根據底圖得到其輪廓，拉伸得到初步框架并進行細部修改，使用模型庫中的紋理進行相應的填充；對于特別復雜的建筑物，如煤礦工業廣場主井的井架，則需要結合點、線、面對象建模相結合的方式建模。

3.3 建模過程中應注意的問題

1）坐標問題。在 ArcGIS中的建模數據必須定義好坐標系。一方面，SketchUp模型可以以MultiPatch格式導出到地理空間數據庫；另一方面，模型擁有正確的坐標，可以在GIS平臺中正確顯示，便于查詢和空間分析。

2）共面或紋理缺失問題。共面問題一般是多個面重疊在一起，或者多個面之間的距離非常小，在瀏覽三維場景時會發生閃爍現象。解決辦法是刪除多余的線和面，確定面的唯一性，如果2個面之間的距離非常近，可以用一個面來表示以防止產生閃爍現象。模型導出時部分紋理缺失主要原因是在SketchUp中紋理貼在面的反面[5]。

4 方法實現及效果

根據上述建模思想，筆者結合皖北煤電集團劉橋一礦的“數字礦山”項目，基于ArcGIS和SketchUp的三維建模方法實現了其工業廣場的三維建模與可視化，部分效果如圖3所示。實驗中地形數據和幾何數據來自該煤礦的1∶500工業廣場平面圖(CAD)，紋理數據通過數碼相機攝取建筑物外圍表面，對所得的相片進行提取和處理獲得。實踐表明，該方法成本低、所建模型效果良好。

圖3 工業廣場部分效果圖

5 結語

本文以小區域為研究范圍，探討了ArcGIS和SketchUp在現實世界中三維模型的快速構建方法，是對3DGIS中三維數據模型構建的一次有益嘗試。基于這種方法進行小區域的三維可視化保證了三維模型的逼真度，降低了對專業建模人員的限制和三維建模的成本，在小區域三維可視化中擁有廣闊的應用前景。然而，隨著社會發展的需要，室內三維建模與可視化也越來越重要，將室內和室外聯系起來，實現定位、查詢等3DGIS所需的多維空間分析還有待進一步研究。

[1] 朱慶,李德仁,龔健雅,等.數碼城市GIS的設計與實現[J].武漢大學學報:信息科學版,2001,26(1):8-11

[2] 劉增良,陳品祥,賈光軍,等.虛擬現實技術在城市規劃管理中的應用研究與實踐[J].測繪通報,2010(5):45-47

[3] 朱慶,高玉榮,危擁軍,等.GIS中三維模型的設計[J].武漢大學學報:信息科學版,2003,28(3):283-287

[4] 朱國敏,馬照亭,孫隆祥,等.城市三維地理信息系統中三維模型的快速構建方法[J].地理與地理信息科學,2007,23(4):29-32

[5] 許捍衛,范小虎,任家,等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報,2010(3):52-54

[6] 王繼周,李成名.城市景觀三維模型庫的原理、構建及應用[J].測繪科學,2007,32(4):20-22

[7] 夏春林,王佳奇.3DGIS中建筑物三維建模技術綜述[J].測繪科學,2011,36(1):70-72

Research on 3D Visualization in Small Regional Landscape

by WANG Meng

The complexity of the real world determines its complex expression with computers.The construction and visualization of 3D Model is a core problem which requires to be solved immediately in 3DGIS.This paper discussed the idea of the 3D modeling and the modeling methods,and in the case of ArcGIS and SketchUp interactive modeling method,described the modeling process and a few matters needing attention.The construction of model databases improved the efficiency of the method in 3D modeling.The models making by thismethod provided a data source for 3DGIS.Practice showsthat the method is feasible and practical in limited economic and technical conditions.

3DGIS，small areas，modeling，visualization

2012-01-04

項目來源：國家環保部公益性行業專項基金資助項目 (200809128)；國家自然科學基金資助項目 (50774080)。

P208

B

1672-4623(2012)03-0094-03

王猛，碩士，主要研究方向為GIS軟件開發與應用。